measuring electronic latencies in minos with auxiliary detector

17
Measuring electronic latencies in MINOS with Auxiliary Detector Son V. Cao University of Texas at Aus@n (on behalf of the MINOS collabora@on) June 14 th 2012 MINOS overview TOF principle AD setup Measurement Summary FNAL2012 New Perspec@ves

Upload: son-cao

Post on 14-Apr-2017

79 views

Category:

Education


4 download

TRANSCRIPT

Measuring  electronic  latencies  in  MINOS  with  Auxiliary  Detector  

Son  V.  Cao  University  of  Texas  at  Aus@n    

(on  behalf  of  the  MINOS  collabora@on)    June  14th  2012  

   MINOS  overview      TOF  principle      AD  setup      Measurement      Summary  

FNAL2012  New  Perspec@ves  

2  

   MINOS  overview      TOF  principle      AD  setup      Measurement      Summary  

   Main  Injector  Neutrino  Oscilla@on  Search                                                                    (MINOS)          

734 km

Near  det.  1.0  kton  

Far  det.  5.4  kton  

ü High  intensity    muon  neutrino    beam          produced  at    Fermilab    ü   Two  detectors:  reduce  systema@c          errors,    magne@zed  to  dis@nguish                                                      interac@ons  

   ü   Near  Detector  to  measure  ini@al  beam            composi@on,  predict  no-­‐oscilla@on                    spectrum  at  Far  Detector    ü  Long  baseline  (734km)                    Time  of  

Flight  (TOF)  (1st  measurement  in  2007)  

We  revisit  TOF  with  more  staDsDcs  and  refined  understanding  of  system  

⌫µ and ⌫̄µ

3  

   MINOS  overview      TOF  principle      AD  setup      Measurement      Summary  

v =d21

(t2 � t1)

Basic  principle:  

Real  measurement:  

P1(t1) P2(t2)

Distance d21

t1 t2

Find                  to  minimize  the  likelihood  between                          and      

               In  2007,  used  473  FD  events:        

2.  Time  of  Flight  (TOF)  principle  

�t21P2(t2)P1(t1)

Need  to  understand  the  Dming  system  beNer!!!  

Time  shiP  by  TOFv  

Baseline  à  TOFc  

�t = �126± 32(stat.)± 64(syst.) ns (68% C.L. )

(v/c� 1) = 5.1± 2.9⇥ 10�5(68% C.L.)

Source  of  latency   Uncertainty  2007  

ND  electronic  latencies   32ns  

FD  electronic  latencies   3ns  

F/N  detector  rela@ve  latencies   9ns  

4  

3.  Auxiliary  Detector  (AD)      MINOS  overview      TOF  principle      AD  setup      Measurement      Summary  

Auxiliary  Detector  at  the  back  end  of    Near    Detector  

Auxiliary  Detector  in  the  middle  of  two  Super-­‐Modules  at  Far  Detector  

⌫ beam

Auxiliary  Detector  Dmestamps    muon,  resultant  parDcle  of  neutrino  interacDon,      and  matches  with  events  recorded  in  real  detector  

ü  Readout  system  has  complicated  latency,  not  easy  to  measure  

ü  Two  readout  systems  of  MINOS  detector  are  not  the  same                                                                          systema@c  error  

ü  Using  two  iden@cal  readout  systems,  Auxiliary  Detector  (AD),  can  cancel  out  this  error  

5  

Goal:  measure  the  latencies  and  miDgate  the  systemaDc  error  using  a  simple  auxiliary  system  

Near   Far  

UTC  Dme  

⌫ beam

AD   AD  

3.  AD  setup:  mo@va@on      MINOS  overview      TOF  principle      AD  setup      Measurement      Summary  

5.  Event  @mestamp  with  AD    3.  AD  setup:  event  @mestamp      MINOS  overview      TOF  principle      AD  setup      Measurement      Summary  

6  

ü  Passage  of  muon  produces  blue  scin@lla@on  light  

ü  Wavelength-­‐shi`ing  fiber  absorbs  and  shi`s  scin@lla@on  light  

ü  Signals  are  mul@plied  by  photomul@plier  (PMT)  and  used  as  “STOP”  signal  

ü  Timestamp  “STOP”  signal  with  a  “START”  reference  signal  in  each  detector    

  RelaDve  electronic  latency  between  ADs  and  real  detectors  is  calculated  by  event  matching    

ScinDllator  paddle  

PMT  

7  

Timing  diagram  

 Timing  system  overview      MINOS  overview      TOF  principle      AD  setup      Measurement      Summary  

Beam  structure      (  53MHz  unit)  

~10  us  

ü  Accelerator  generates  signal,  named  $74,  tell  kicker  magnet  to  prepare  extrac@ng  the  proton  beam  

ü  Each  spill  lasts  about  10us    ü  At  ND,  Front-­‐End  boards  start  

window,  labeled  SGATE,  to    collect  data  

 ü  At  FD,  another  window,  labeled  

SS  Window,  is  opened  to  capture  data  at  the  @me  spill  arrives  

8  

5.  Matching  AD  and  ND  

Ending  edge  

Matching AD and ND time distribution (ns) 11100 11150 11200 11250

Num

ber o

f eve

nts/

2ns

0

500

1000

1500

2000

Auxiliary Detector

Near Detector

MINOS Preliminary

Dip   Dip  

Matching AD and ND time distribution (ns) 4650 4700 4750 4800

Num

ber o

f eve

nts/

2ns

0

1000

2000Auxiliary Detector

Near Detector

MINOS Preliminary

Matching AD and ND time distribution (ns) 1450 1500 1550 1600

Num

ber o

f eve

nts/

2ns

0

1000

2000

3000

Auxiliary Detector

Near Detector

MINOS Preliminary

Leading  edge   Ending  edge  Dip  

Time relative to spill (18.83ns bins)200 400 600

Num

ber o

f eve

nts

/ 18.

83ns

0

100

200

300

400MINOS Preliminary

   MINOS  overview      TOF  principle      AD  setup      Measurement      Summary  

Matching  between  Auxiliary  and  Near  Detector  distribu@on  

4.  AD  measurement  at  Near  Beam  structure      (  53MHz  unit)  

~10  us  $74  

SGATE  

Time  of  μ  at  AD  

Time  of  μ  at  ND  

Use  $74  and  SGATE  as  “START”  signals  respec@vely  for  Auxiliary  and    Near  detectors    

8  

AD  data  at  Near  

19ns  

Bucket  structure  

9  

Offset between SGATE and $74 at AD(ns)212850 212900 212950

Log

likeh

ood

0

2000

4000

6000

8000

MINOS PreliminaryDistribu@on    comparison  

   MINOS  overview      TOF  principle      AD  setup      Measurement      Summary  

4.  AD  measurement  at  Near  

19ns  

ü  Calculate  likelihood  of  AD-­‐ND  distribu@on  comparison  as  a  func@on  of  SGATE-­‐$74  “offset”  

   ü  Likelihood  reflects  very  well  the  

bucket  structure  but  the  true  peak  is  not  clear.  

 ü  SGATE-­‐$74  @me  interval  is  not  true  

offset.  SGATE  is  programmably  lined  up  with  53.1MHz  clock  @ck.  

ü   The  direct  measurement  of  SGATE-­‐$74  @me  interval  also  shows  two  peaks  separated  by  19ns.  

SGATE  -­‐  $74  @me  interval  

Num

ber  o

f  events  

10  

Offset between SGATE and $74 at AD(ns)212850 212900 212950

Log

likeh

ood

0

2000

4000

6000

8000

MINOS Preliminary

Entries 5121

Mean 212908.120

RMS 16.877

Offset between SGATE and $74 at AD (ns)212850 212900 212950 213000

Num

ber o

f eve

nts

/ 2ns

0

50

100

150 Entries 5121

Mean 212908.120

RMS 16.877

MINOS Preliminary

Distribu@on    comparison  

   MINOS  overview      TOF  principle      AD  setup      Measurement      Summary  

4.  AD  measurement  at  Near  

19ns  

Event-­‐by-­‐event  matching  

 No  latency    included  

ND  -­‐  AD  latencies  =  36  +/-­‐  4ns  

ü  AD  is  synchronized  to  ND  DAQ,  permined  to  match  in  event-­‐by-­‐event  basis.  

 ü  These  peaks  agrees  with  those  from  

distribu@on  comparison  

ü   “Offset”  measured  by  AD  includes  the  electronic  latencies  of  AD  and  ND  

 ü  Calculate  AD-­‐ND  electronic  latency  by  

comparing  with  @me  interval  from  direct  measurement  (mean  of  the  peak  is  used)  

 AD-­‐ND  latencies    included  

4ns  

11  

5.  Matching  AD  and  ND      MINOS  overview      TOF  principle      AD  setup      Measurement      Summary  

4.  AD  measurement  at  Far  

 FD  -­‐  AD  latencies  =  12  +/-­‐  2ns  

Entries 81Mean 98.602RMS 8.083

/ ndf 2r 57.218 / 47Constant 1.028± 23.342 Mean 0.102± 96.579 Sigma 0.123± 2.145

Offset between AD and FD (ns)60 80 100 120 140

Num

ber o

f eve

nts

/ 2ns

0

10

20

Entries 81Mean 98.602RMS 8.083

/ ndf 2r 57.218 / 47Constant 1.028± 23.342 Mean 0.102± 96.579 Sigma 0.123± 2.145

MINOS Preliminary

ü  Use  cosmic  ray  events  for  matching    

ü  Use  PPS  signals  from  Cs  Clock  and  GPS  as  “START”  signals  respec@vely  for  Auxiliary  and    Far  detectors    

Cs  PPS  

GPS  PPS  

Time  of  μ  at  AD  

Time  of  μ  at  FD  

Monitored  by  Agilent  53230A    

ü  The  ADs  are  necessary  for  mi@ga@ng  the  electronic  readout  latencies  

ü  The  ADs  has  already  installed    and  first  results  are  used  for  TOF  retrospec@ve  analysis  in  2012  

 

ü  The  AD    will  be  used  in  the  next  phase  of  Time  Of  Flight  measurement  

12  

Summary  Summary  

Source  of  latency   Uncertainty  2007   Uncertainty  2012  

ND  electronic  latencies   32ns   4ns  

FD  electronic  latencies   3ns   2ns  

F/N  detector  rela@ve  latencies   9ns   1ns  

   MINOS  overview      TOF  principle      AD  setup      Measurement      Summary  

Full    Spill  approach:                    TOFv  –  TOFc    =  -­‐18  ±  11  (stat.)  ±  29  (syst.)  ns  Wrapped  Spill  approach:  TOFv  –  TOFc  =  -­‐11  ±  11  (stat.)  ±  29  (syst.)  ns  

13  

5.    4.  MINOS  plans  

13  

Backup:  Fit  at  peaks      MINOS  overview      TOF  principle      AD  setup      Measurement      Summary  

Entries 5121Mean 212908.120RMS 16.877

/ ndf 2r 28.844 / 13Constant 7.354± 155.895 Mean 0.159± 212892.656 Sigma 0.105± 3.404

Offset between SGATE and $74 at AD (ns)212850 212900 212950 213000

Num

ber o

f eve

nts

/ 2ns

0

50

100

150Entries 5121Mean 212908.120RMS 16.877

/ ndf 2r 28.844 / 13Constant 7.354± 155.895 Mean 0.159± 212892.656 Sigma 0.105± 3.404

MINOS Preliminary

Entries 5121Mean 212908.120RMS 16.877

/ ndf 2r 125.557 / 12Constant 7.629± 141.745 Mean 0.198± 212911.391 Sigma 0.267± 5.596

Offset between SGATE and $74 at AD (ns)212850 212900 212950 213000

Num

ber o

f eve

nts

/ 2ns

0

50

100

150Entries 5121Mean 212908.120RMS 16.877

/ ndf 2r 125.557 / 12Constant 7.629± 141.745 Mean 0.198± 212911.391 Sigma 0.267± 5.596

MINOS Preliminary

14  

5.    4.  MINOS  plans  

2007  Analysis  

Phase  I  (6  months)  

Phase  II  (9-­‐12  months)  

Phase  III  (2013  and  on  MINOS+  era)  

Re-­‐analysis  exis@ng  data,  reduce  dominant  systema@c  errors  

Hardware  improvement  

More  hardware  improvement  ,  update  beam  energy  

64  ns   18-­‐33  ns   11-­‐18  ns   2-­‐7  ns  

•  (A)  Resurvey  the  distance  between  two  detectors  

•  (B,D)  Re-­‐es@mate  the  length  of  cables  

•  (F)  Bener  synchroniza@on  systems  

•  (C,E,G)  Auxiliary  detector  to  measure  delays  of  readout  system  

14  

Backup:  Systema@c  revisit      MINOS  overview      TOF  principle      AD  setup      Measurement      Summary  

15  

5.    Backup:  two  TOF  approaches      MINOS  overview      TOF  principle      AD  setup      Measurement      Summary  

•  NuMI  neutrinos  spill  lasts  about  10us    •  Spill  subdivided  into  1.619  us  batches  (5  or  6  batches)  •  95ns  gap  between  batches  

Full  Spill  approach:  ü  ND  event  @me  within  spill  

predicts  FD  @ming  distribu@on  ü  Find  best  value  of  Time  of  Flight  

to  match  data  

Wrapped  Spill  approach:  ü  Wrap  events  within  batch  in  each  

detector  ü  Fit  two  gaps  in  two  detector  and  

subtract  them  

16  

5.    Backup:  update  @ming  system  

Use  TWSTT*  or  PPP  

*TWSTT:  Two-­‐Way  Satellite  Time  Transfer  PPS:  Point  Posi@on  System  

Near     Far    

Rb  clock  

•  Current  GPS  has  100ns  jiNer  •  Update  precise  and  monitored  sync    

btw  Near  and  Far  det    

MINOS  overview      TOF  principle      Recent  TOF  results      MINOS  plans    AD  setup      Summary  

From  PMT  to  Amplifier    to  discriminator  to  Logic  Unit  

NIM  715:  five-­‐channel  constant  fracDon  Dming  

discriminator  

NIM  Model  612A:  12-­‐Channel  PhotomulDplier  Amplifie  

PMT  1  

2  ns  

2  ns  

2  ns  

2  ns  

Model  364AL:  Dual  4-­‐Fold  Majority  Logic  Units  

1  ns  

1  ns  

1  ns  

1  ns  

8  ns  

8  ns  

8  ns  

TDC  TDC   TDC  

PMT  2  

Model  1880B:  Dual  Visual  Scaler  

Design  slightly  different  17